Dentro de la informacion que varios colegas nos hicieron llegar, relacionada con materiales autorreparables, repetidamente se menciona el desarrollo de nuevos extranos y portentosos materiales. Aprovechando esta informacion, vale la pena realizar una breve atisbo a algunos de ellos y revisar sus propiedades mas sobresalientes, pues sin duda, son, o van a ser, elementos clave en el quehacer de la ingenieria de hoy y del futuro. A estos extraordinarios materiales les denominaremos âsupermaterialesâ. Estos materiales son relativamente numerosos, por lo que nos tomara dos o tres envios revisar una decena de ellos; veamos los primerosâÂ
Humo solido (aerogel)
El llamado humo solido, humo helado, humo azul o aerogel es de origen coloidal* y se obtiene al eliminar todo el liquido de un gel (proveniente del silice o carbono) y en su lugar se inyecta gas, obteniendo como resultado un solido de muy baja densidad (3 mg/cm3 o 3 kg/m3) y altamente poroso, con ciertas propiedades muy sorprendentes, como su enorme capacidad de aislante termico. De hecho, el 99.8 % de su masa es aire y es mil veces menos denso que el vidrio y unas tres veces mas denso que el aire. Debido a esto es semitransparente y tiene al tacto una consistencia similar a la espuma de poliestireno. Este material posee un indice de refraccion de 1.0, muy bajo para un solido. La velocidad del sonido a traves de el es muy baja, 100 m/s.
*Nota 1: Un coloide es un sistema formado por dos o mas fases, principalmente: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partÃculas; por lo general solidas.
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Por lo anterior, soporta mas de mil veces su propio peso y, como se comento, es uno de los mejores aislantes termicos conocidos (resiste hasta unos 1,300 grados Celsius); seguramente pronto tambien lo veremos comercialmente disponible como aislante acustico.
Lo sorprendente es que fue inventado en 1931 y hasta el dia de hoy, son relativamente pocas sus aplicaciones. El uso practico mas importante fue seguramente el que le dio la NASA, como aislante termico en el Mars Rover y como "captador de polvo" en naves aeroespaciales, ya que su estructura microscopica se asemeja a la de una esponja; pero tambien funciona, por la misma propiedad, como desalinizador del mar.
Sus propiedades son tan variadas que tambien se lo ha utilizado desde la fabricacion de ropa hasta para detectar particulas subatomicas y como supercapacitor.
Ahora, se planea utilizar una nueva version mejorada del aerogel, en el aÃo 2018, para la primera mision tripulada a Marte, ya que una capa de 18 mm de aerogel podria aislar a un astronauta a temperaturas tan bajas como -130 grados Celsius.
TambiÃn se investiga la posibilidad de usarlo como chaleco antibalas o para absorber el petroleo derramado en los accidentes maritimos.
Espuma metalica
La espuma metalica es un estructura celular formada de un metal solido, frecuentemente aluminio, el cual contiene una fraccion muy grande de su volumen integrada por poros rellenos un gas, generalmente tambien de un derivado de aluminio.
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Los poros puede ser sellados (espuma de celulas-cerradas)
o pueden formar una red interconectada (espuma de celulas-abiertas).
La caracteristica principal que identifica a las espumas metalicas es una muy alta porosidad: tipicamente 75-95% de su volumen consiste en espacios huecos convirtiendoles con ello, en materiales ultraligeros, los cuales se caracterizan por ser al mismo tiempo muy resistentes y muy livianos. La resistencia de la espuma metalica obedece la ley de potencias con relacion a su densidad; por ejemplo, un material con una densidad de 20% es mas del doble de fuerte que un material con una densidad del 10%.Â
La espuma metalica puede producirse por inyeccion directa de gas o por la adicion de agentes espumantes al aluminio fundido. Indirectamente, puede obtenerse llevando a fusion los componentes procesados por sinterizado** con un agente espumante. Puede tambien conseguirse la espumacion de piezas sinterizadas en estado solido mediante la espumacion de un gas inerte por medio de un tratamiento termico. Adicionalmente puede obtenerse por electrodeposicion*** o por deposicion en fase vapor.
** Nota 2: La sinterizacion es el tratamiento termico de un polvo o compactado metalico o ceramico a una temperatura inferior a la de fusion de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las particulas.
*** Nota 3: La electrodeposicion, o galvanoplastia, es un proceso electroquimico de chapado donde los cationes metalicos contenidos en una solucion acuosa se depositan en una capa sobre un objeto conductor.
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Debido a sus caracteristicas unicas, las espumas metalicas han suscitado un gran interes en varios campos tecnologicos. Estas, combinan algunas virtudes de los metales, con las ventajas estructurales de las espumas. De esta forma tenemos un material con alta rigidez especifica, un peso especifico muy bajo y buenas propiedades de absorcion de energia, lo cual lo convierten en un candidato para amplisimas aplicaciones que podrian ir desde calzado deportivo, embalajes y envases, hasta protesis ortopedicas.
Tambien se utiliza en algunas partes de los motores automotrices, como filtros o como sustituto del acero donde se requiera bajar el peso (por ejemplo para autos de carreras). Â
Por otra parte, sus propiedades de transferencia de calor permiten que sean empleados para enfriar equipos electronicos y actuar como intercambiadores de calor.
Aprovechando la conductividad electrica de la espuma metalica se usa en cantidades significantes como catodos en baterias hibridas niquel-metal (NiMH), las cuales son dispositivos del estado del arte para aplicaciones en vehiculos electricos o hibridos.
Recientemente estos materiales estan siendo utilizados tambien como materia prima para elaborar obras de arte y arquitectÃnicas.
Ferrofluidos
Un ferrofluido es un liquido que se polariza en presencia de un campo magnetico. Los ferrofluidos se componen de particulas ferromagneticas suspendidas en un fluido portador, que comunmente es un solvente organico o agua.
Las nanoparticulas ferromagneticas estan recubiertas de un surfactante**** para prevenir su aglomeracion a causa de las fuerzas magneticas y de las de van der Waals. Los ferrofluidos, a pesar de su nombre, no muestran ferromagnetismo, pues no retienen su magnetizacion en ausencia de un campo aplicado de manera externa.
****Nota 4. Producto quimico que reduce la tension superficial de los liquidos, facilitando la accion de un detergente.
Por el contrario, los ferrofluidos muestran paramagnetismo, es decir, son materiales atraidos por imanes, pero no se convierten en materiales permanentemente magnetizados. De hecho, normalmente se identifican como "superparamagneticos" precisamente por su gran susceptibilidad magnetica. Un autentico fluido ferromagnetico es dificil de crear en la actualidad, requiriendo elevadas temperaturas y levitacion electromagnetica para ello.
Los ferrofluidos se componen de particulas ferromagneticas microscopicas, normalmente magnetita, hematita o algun otro compuesto con contenido de Fe2+ o Fe3+.
Las nanoparticulas tipicamente son del orden de 10 nm. Esto es lo suficientemente pequeno para que la agitacion termica las distribuya uniformemente dentro del fluido portador, asi como para contribuir a la respuesta magnetica general del fluido.
Un verdadero ferrofluido es estable; esto significa que las particulas solidas no se aglomeran o separan en fase, aun bajo la influencia de campos magneticos muy intensos. Sin embargo, el surfactante tiende a descomponerse al paso del tiempo (algunos anos) y eventualmente las nanoparticulas se aglomeran y separan, dejando de contribuir a la respuesta magnetica del fluido.
Los ferrofluidos suelen utilizarse en altavoces para disipar el calor entre la bobina y el iman, asi como amortiguar pasivamente el movimiento del cono. Residen en lo que normalmente seria el hueco alrededor de la bobina, siendo mantenidos en posicion por el iman del altavoz. Ya que los ferrofluidos son paramagneticos, obedecen la ley de Curie, reduciendose su magnetismo al elevarse la temperatura. Un iman de gran potencia que se coloque cerca de la bobina (que produce calor) tendera a atraer el ferrofluido frio con mas intensidad que el caliente, forzando el movimiento del fluido caliente hacia el elemento de disipacion termica. Esto constituye un eficiente metodo de enfriamiento que no requiere aportacion energetica adicional.
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Adicionalmente en las unidades motrices de estos transductores electroacusticos se aplica el ferrofluido en el entrehierro para aumentar la densidad de flujo magnetico en la bobina movil (factor BL), ayudar a centrar la bobina movil, amortiguar resonancias y conseguir una distribucion termica uniforme.
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De manera similar, los ferrofluidos se emplean para formar sellos liquidos que rodean las flechas giratorias de los discos duros. Tambien poseen propiedades reductoras de la friccion. Si se aplican a la superficie de un iman de gran potencia, tal como los fabricados en neodimio, el iman podra deslizarse sobre superficies lisas con un minimo de resistencia.
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Hay otras aplicaciones en diferentes areas tales como la industrial, la aeronautica, la aeroespacial, la medicina, la automotriz, asi como en procesos de medicion y trasferencia de calor. Veamos algunos ejemplos:
La compania âMatsushita Electric Industryâ produjo una impresora capaz de imprimir 5 paginas por minuto, utilizando tinta de ferrofluido.
Estados Unidos introdujo un pintura absorbente de radar hecha de substancias ferrofluidas y no magneticas. El material contribuye a reducir la seccion cruzada de radar de los aviones, reduciendo la reflexion de ondas electromagneticas.
La NASA ha experimentado con el uso de ferrofluidos en un bucle cerrado como el corazon de un sistema de control de nivel para vehiculos espaciales. Se aplica un campo magnetico a un bucle de ferrofluido para cambiar el momento angular e influir en la rotacion del vehiculo.
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En medicina, un ferrofluido compatible puede emplearse para deteccion de cancer. Tambien se utiliza como agente contrastante en las resonancias magneticas.
Los amortiguadores de la suspension de un vehiculo pueden llenarse con ferrofluido en lugar de aceite convencional, rodeando todo el dispositivo con un electroimÃn, permitiendo que la viscosidad del fluido (y por ende la cantidad de amortiguamiento proporcionada por el amortiguador) puedan ser variadas de acuerdo a preferencias del conductor o la cantidad de peso que lleva el vehiculo; incluso puede variarse de manera dinamica para proporcionar control de estabilidad. El sistema de suspension activa MagneRide es un sistema que permite de esta manera alterar el factor de amortiguacion en respuesta a las condiciones.
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Los ferrofluidos tienen numerosas aplicaciones en optica por sus propiedades refractivas; esto debido a que cada particula micromagnetica refleja luz. Estas aplicaciones incluyen la medicion de la viscosidad especifica de un liquido colocado entre un polarizador y un analizador, iluminados por un laser de helio-neon.
Al imponer un campo magnetico a un ferrofluido de susceptibilidad variable, tal como puede presentarse debido a un gradiente de temperatura, se obtiene una fuerza magnetica no uniforme, que permite una forma de transferencia termica llamada conveccion termomagnetica (conversiÃn directa de diferencias de temperatura a voltaje electrico o viceversa). Esta forma de transferencia es util cuando el uso de conveccion convencional es inadecuado; por ejemplo, en dispositivos a microescala o bajo condiciones de gravedad reducida.
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A continuacion una bonita demostracion de generacion de ferrofluidos. ÂUna escultura dinamica?
http://www.youtube.com/watch?v=d44LW6KZ_iU&feature=player_embedded#at=122
Fuentes:
http://www.aerogel.org/?p=3
http://sbir.gsfc.nasa.gov/SBIR/successes/ss/10-017text.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Superhard_material
http://zonaforo.meristation.com/foros/viewtopic.php?p=22139342
http://es.wikipedia.org/wiki/Espumas_met%C3%A1licas
http://www.gat-mbh.de/index.php?page=anwendungen-fr
http://www.ims.demokritos.gr/ims_topic.php?lang=en&ergo=g103&topic=10&PHPSESSID=cb1955fa3de0d2481b01d25b9193418f
http://www.actimat.es/web/magnetoreologicos.asp
http://en.wikipedia.org/wiki/Ferrofluid
http://www.ferrotec.com/products/ferrofluid/audio/
http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CD4QFjAB&url="">
http://nipponpower.com.mx/foro/showthread.php?121533-Super-materiales-los-veremos-en-los-autos
ÂEspero que haya sido de su interes y disfrute la informacion enviada por varios colegas!
Agradezco las contribuciones y opiniones enviadas.
No. de ingenieros en la lista de distribucion: 630
No. de envio: 131
Bienvenidos comentarios sobre los envios.
Nota: Este correo no tiene acentos
Deseando tengan un excelente fin de semana, les envio un fuerte abrazo.
Arnoldo
Comentarios sobre el envio 130: Materiales autorreparables...
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Arnoldo,
Tus articulos son exceptionalmente claros y bien escritos. Creo que deberias considerar difundirlos mas alla de un grupo reducido de ingenieros, quiza en un 'blog' facebook, o incluso aun mas alla. Si lo hicieras, no solo individuos sino organizaciones leerian lo que escribes. Creo que muchas escuelas de ingenieria en lugares de habla hispana se subscribirian a tu pagina para que los profesores comenten con estudiantes (futuros ingenieros) tus articulos en clase o en linea.
Lalo Vargas